Содержание к диссертации
Введение
Глава. 1 Обзор современной литературы 11
1.1 Основные схемы построения измерительных систем на основе волоконно–оптических интерферометров 11
1.2 Источники шумов в волоконно-оптических интерферометрических измерительных системах 1.2.1 Шум источника оптического излучения 22
1.2.2 Дробовой шум 29
1.2.3 Шум электронной части 30
1.2.4 Шум в оптическом волокне
1.3 Источники оптического излучения для волоконно-оптических интерферометрических датчиков 37
1.4 Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором 45
1.5 Методы модуляции оптического излучения в ВОИД 50
Выводы по главе 1 55
Глава. 2 Построение волоконно-оптической интерферометрической измерительной системы на основе VCSEL
2.1 Полупроводниковый поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором,
излучающий на длине волны 1,55 мкм 58
2.1.1 Принципа работы и структура VCSEL 58
2.1.2 Электрические и оптические параметры VCSEL
2.2 Исследование временных параметров VCSEL 67
2.3 Исследование шума интенсивности VCSEL 70
2.4 Исследование фазового шума VCSEL 73
2.5 Волоконно-оптическая интерферометрическая измерительная система на основе поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором 78
2.6 Влияние степени рассогласования КИ и ЧЭ на уровень выходного шума измерительной системы 85
Выводы по главе 2 88
Глава. 3 Метод частотно-импульсной модуляции 90
3.1 Исследование спектральных параметров VCSEL в процессе нагрева 90
3.2 Исследование спектральных параметров VCSEL в процессе охлаждения 98
3.3 Реализация частотно-импульсной модуляции VCSEL 102
3.4 Экспериментальное исследование параметров частотно-импульсной модуляции VCSEL в волоконно-оптической интерферометрической измерительной системе 108 3.4.1 Модуляция VCSEL на частоте 31,25 кГц 109
3.4.2 Модуляция VCSEL на частоте 500 кГц 114
Выводы по главе 3 117
Глава. 4 Методы согласования оптический путей в волоконно-оптических интерферометрах 119
4.1 Метод временной высокоскоростной рефлектометрии 119
4.2 Метод интерферометрии на основе частотно-импульсной модуляции VCSEL
4.2.1 Математическое моделирование метода 124
4.2.2 Реализация метода 127
Вывод по главе 4 138
Заключение 140
Основные выводы и результаты исследования 142
Список сокращений 145
- Шум источника оптического излучения
- Принципа работы и структура VCSEL
- Реализация частотно-импульсной модуляции VCSEL
- Метод интерферометрии на основе частотно-импульсной модуляции VCSEL
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Последние несколько десятилетий
активно развивается направление создания измерительных систем,
построенных на основе волоконно-оптических интерферометров, которые обладают высокой чувствительностью к регистрируемой величине.
При построении малогабаритных и эффективных с технико-
экономической точки зрения измерительных систем возникают задачи уменьшения количества активных элементов в схеме устройства, упрощения его конструкции и снижения массогабаритных параметров. В тоже время при решении этих задач основные параметры измерительной системы, такие как собственный уровень шума, динамический диапазон и рабочий диапазон температур должны сохраняться.
Одним из ключевых параметров волоконно-оптических измерительных
систем является собственный уровень шума, который определяет пороговую
чувствительность и точность измерительного прибора, а также определяет
нижнюю границу динамического диапазона. При использовании современной
элементной базы аналоговой и цифровой электроники можно добиться уровня
шума, создаваемого электроникой, близкого к теоретическому пределу. В
протяженных волоконно-оптических интерферометрических измерительных
системах применяются лазеры, так как они обладают большой длинной
временной когерентности, но вследствие нестабильности частоты
генерируемого оптического излучения, являются основным источником фазового шума, который является доминирующим в подобных измерительных системах.
В протяженных и многоканальных измерительных системах на основе
волоконно-оптических интерферометрических датчиков наиболее просто с
технической точки зрения реализуется метод временного уплотнения каналов.
В таких системах возникает необходимость формирования оптических
импульсов с заданной скважностью. Формирование импульсов средствами
прямой токовой модуляции у большинства лазеров обычно приводит к
нестабильности спектра излучения и росту фазового шума. В свою очередь,
оптические модуляторы и оптические переключатели, формирующие
оптические импульсы из постоянного излучения, обладают конечным
коэффициентом экстинкции и некоторой нежелательной световой утечкой в
закрытом состоянии. Известно, что для применения на практике в
интерферометрических измерительных системах требуется коэффициент
экстинкции в диапазоне от 50 до 100 дБ. Решение данного вопроса возможно
двумя способами: применением специализированных модуляторов,
оптимизированных для интерферометрических систем, и использование ИОИ, сохраняющего свои оптические спектральные и радиочастотные параметры при работе в импульсном режиме, который формируется прямой токовой модуляцией.
Активно развивающимся направлением в современной оптоэлектронике является создание полупроводниковых поверхностно-излучающих лазеров с
вертикальным резонатором на длину волны 1,55 мкм. ИОИ подобного типа активно применяются в телекоммуникационной области, поскольку оптическое волокно и волоконно-оптические элементы обладают наименьшими потерями в данной спектральной области. По сравнению с полупроводниковыми лазерными диодами с торцевым излучением, поверхностно излучающие лазеры с вертикальным резонатором имеют ряд достоинств: низкие токи модуляции, линейная поляризация с большим коэффициентом экстинкции, возможность прямой токовой модуляции по амплитуде и частоте, малая угловая расходимость оптического луча, невысокая цена, небольшие габариты и вес. Поскольку ИОИ такого типа, излучающие в диапазоне длин волн 1,55 мкм, появились относительно недавно, анализ и исследование их параметров с целью построения на их основе волоконно-оптических интерферометрических измерительных систем является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является создание волоконно-оптической интерферометрической измерительной системы на основе полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором с центральной длиной волны 1,55 мкм.
Для достижения данной цели необходимо решить ряд задач:
исследовать общие и частотные параметры полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны 1,55 мкм;
исследовать возможность применения полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором в волоконно-оптических интерферометрических датчиках с временным и спектральным мультиплексированием;
построить математическую модель и реализовать метод частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на основе его частотно-динамических свойств при неизменной амплитуде токовых импульсов накачки;
создать действующий макет волоконно-оптической интерферометрической измерительной системы на основе полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором;
провести анализ зависимости шумовых параметров волоконно-оптической интерферометрической измерительной системы на основе полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором от рассогласования волоконного интерферометра;
разработать, исследовать и реализовать метод измерения рассогласования длин плеч волоконно-оптического интерферометра на основе частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
1. Проведены экспериментальные исследования шумовых и частотно-динамических параметров полупроводникового поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны оптического излучения
1,55 мкм.
-
Экспериментально исследованы шумовые параметры измерительной волоконно-оптической интерферометрической системы на основе полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны оптического излучения 1,55 мкм.
-
Предложен и реализован оригинальный метод частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором на основе перестройки частоты для работы в составе интерферометрической волоконно-оптической измерительной системы с сохранением постоянной амплитуды оптических импульсов; оригинальность метода подтверждена патентом.
-
Проведено экспериментальное сравнение двух методов фазовой модуляции в интерферометрической волоконно-оптической измерительной системе, в результате которого продемонстрированы сопоставимые уровни шума в выходных сигналах системы и пороговая чувствительность измерительной системы для метода частотно-импульсной модуляции и метода фазовой модуляции оптического излучения с помощью дополнительного фазового электрооптического модулятора.
-
Предложен, реализован и экспериментально исследован метод измерения рассогласования длин плеч двухлучевых волоконно-оптических интерферометров с использованием частотно-импульсной модуляции поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором и вспомогательной фазовой модуляции, обеспечивающий погрешность измерения в пределах ±47 мкм.
Практическое значение работы состоит в следующем:
-
Проведены экспериментальные исследования общих, шумовых и частотно-динамических параметров полупроводникового поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны оптического излучения 1,55 мкм. Проведенные исследования показали возможность применения данного источника оптического излучения в волоконно-оптических интерферометрических измерительных системах.
-
Разработана, собрана и исследована волоконно-оптическая интерферометрическая измерительная система на основе поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны 1,55 мкм. Экспериментально получена зависимость уровня шума измерительной системы от величины рассогласования длин плеч волоконно-оптического интерферометра.
-
Предложен оригинальный метод частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на основе динамической перестройки частоты для работы в составе интерферометрической волоконно-оптической измерительной системы с сохранением постоянной амплитуды оптических импульсов. Метод позволяет сформировать фазовую модуляцию в интерференционном сигнале как одного датчика, так и для нескольких датчиков, объединенных в массив с
мультиплексированием по времени.
-
Проведено экспериментальное сравнение двух методов фазовой модуляции оптического излучения в интерферометрической волоконно-оптической измерительной системе, в результате которого продемонстрированы сопоставимые уровни шума в выходных сигналах системы и пороговая чувствительность измерительной системы для метода частотно-импульсной модуляции и метода фазовой модуляции оптического излучения с помощью дополнительного фазового электрооптического модулятора. Экспериментально показано, что возможно построение волоконно-оптической интерферометрической измерительной системы без внешнего фазового модулятора, с использованием предложенного метода. Такой подход приведет к упрощению оптической схемы измерительной системы и уменьшению оптических потерь.
-
Предложен и реализован метод измерения разности длин плеч двухлучевых волоконно-оптических интерферометров с использованием частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором и вспомогательной фазовой модуляции. В результате экспериментальной проверки погрешность метода составила ± 47 мкм. Предложенный метод позволяет производить измерения в реальном времени как для одного интерферометра, так и для нескольких интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Оригинальный метод частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором на основе его эффекта динамической перестройки частоты для работы в составе интерферометрической волоконно-оптической измерительной системы с сохранением постоянной амплитуды оптических импульсов.
-
Метод измерения разности длин плеч двухлучевых волоконно-оптических интерферометров с использованием частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором и вспомогательной фазовой модуляции, обеспечивающий погрешность измерения в пределах ±47 мкм.
-
Результаты экспериментального исследования поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны 1,55 мкм в составе интерферометрической волоконно-оптической измерительной системы, которая показала возможность достижения уровня собственных шумов 17 мкрад/Гц0,5 в полосе частот от 400 до 500 Гц при минимальном рассогласовании длин плеч интерферометра и при уровне оптической мощности на фотоприёмном устройстве порядка 20 мкВт в импульсном режиме работы источника излучения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II, III и IV Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2015); на XLII, XLIII, XLIV, XLV, XLVI научных и
учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт-Петербург,
Россия, 2013-2017); на международной конференции молодых ученых и
специалистов «ОПТИКА-2013» (Санкт-Петербург, Россия, 2013); на
международной научно-практических конференции «Sensorica – 2014» (Санкт-Петербург, Россия, 2014).
Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования
используются на кафедре Световодной фотоники Университета ИТМО при
создании рабочих макетов гидроакустических волоконно-оптических
интерферометрических измерительных систем при выполнении совместных работ с ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». По основным результатам диссертационного исследования получены акты внедрения.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 статьях в журналах, входящих в список ВАК (из них 2 журнала, индексируемые базой Scopus). Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 12 наименований. По результатам диссертационного исследования получен 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, список цитируемой литературы представлен 89 наименованиями.
Шум источника оптического излучения
Схема работает следующим образом. ИОИ формирует оптический импульс и направляет его через волоконный X-разветвитель к ЧЭ. Оптический импульс проходит по оптическому волокну, попадает на ВБР1, частично отражается (в данном случае ВБР1 выступает в качестве полупрозрачного зеркала и делит энергию попадающего на нее импульса, часть проходит вперед, по направлению распространения импульса, а часть назад) и проходит дальше, попадает на ВБР2, полностью отражается на от нее. Два отраженных от ВБР1 и ВБР2 импульса следуют обратно к разветвителю и направляются в КИ. Временная задержка между этими импульсами составляет удвоенное время распространения между ВБР. В КИ каждый из импульсов делится надвое и проходит по длинному плечу (2) и короткому плечу (1). На ФПУ поступают три импульса, второй из которых является интерференционным. Первый импульс – импульс отраженный от ВБР1 и прошедший по короткому плечу (1), второй импульс – результат сложения импульса отраженного от ВБР1 и прошедшего по длинному плечу (2) и отраженного от ВБР2 и прошедшего по короткому плечу (2), третий импульс – импульс отраженный от ВБР2 и прошедший по длинному плечу (1). Изменение геометрических размеров оптического волокна между ВБР1 и ВБР2 в результате внешнего воздействия приводит к изменению разности фаз интерферирующих импульсов, которое регистрируется ФПУ.
В одном ОВ можно сформировать от одного до нескольких десятков датчиков такого типа, тем самым снизив количество ОВ и пассивных оптических элементов. В измерительных системах с применением ВБР чаще всего используются методы спектрального и временного мультиплексирования, для создания массивов сенсоров. В работах [22–24] подробно описаны примеры таких систем.
В большинстве измерительных систем экономически эффективно повышать количество датчиков на один источник оптического излучения, фотоприёмное устройство и систему электронный обработки интерферометрических сигналов [1, 2, 10, 25]. Так же сокращение количества оптических волокон способствует упрощению используемых кабелей, что приводит к уменьшению стоимости, масса-габаритных параметров и упрощению монтажа системы. Перед разработчиками ставятся задачи создания устройств сбора данных, обладающих максимальной информационной емкостью, способных опросить как можно больше сенсоров и при этом сохранить необходимые параметры по уровню собственных шумов.
Мультиплексирование волоконно-оптических измерительных систем -передача оптических сигналов опроса по одному оптическому волокну к измерительному массиву, состоящему из нескольких датчиков. Существуют разные способы мультиплексирования измерительных каналов [1, 10, 16, 25, 26]: - временное мультиплексирование каналов (Time Division Multiplexing, TDM), в котором каждый датчик в массиве периодически опрашивается в свой определенный временной интервал. Датчики в массиве пространственно разнесены, временная задержка распространения оптического импульса от лазера для каждого из датчиков различна [19, 23]. - частотное мультиплексирование каналов (Frequency Division Multiplexing, FDM) каждый из датчиков опрашивается собственной несущей, частоты несущих для каждого датчика разные. спектральное уплотнение каналов (Wavelength Division Multiplexing, WDM), в котором каждый датчик опрашивается на своей собственной длине волны оптического излучения. В данном методе необходимо использование нескольких лазеров, с разными центральными длинами волн оптического излучения. В таких системах обычно существует несколько массивов датчиков, разделенных по времени. Каждый из лазеров опрашивает по несколько датчиков в каждом массиве, с соответствующей длиной оптического излучения [22, 24]. - когерентное мультиплексирование каналов. В данном методе применяется источник с небольшой длиной когерентности, а каждый датчик (двухлучевой интерферометр) имеет свою разницу длин плеч. На приемном конце расположены ФПУ (их число равно числу датчиков) со своими собственными системами компенсации разности фазовой задержки для каждого датчика. В результате каждое ФПУ принимает интерференционный сигнал только от согласованного по величине разности хода датчика, информация от остальных будет лишь постоянным уровнем оптического излучения [2, 10, 27]. - поляризационное мультиплексирование каналов - использование различных состояний поляризации оптических волн для опроса сенсоров. Для использования данного типа мультиплексирования необходимо применять анизотропные оптические волокна и оптические элементы на базе таких волокон (разветвители, мультиплексоры и др.), которые сохраняют две поляризационные моды при распространении оптического излучения в «быстрой» и «медленной» осях волокна подобного типа («PANDA», волокно с эллиптической напрягающей оболочкой, «Bowie»). Применяя анизотропное оптическое волокно, можно использовать две ортогональные линейные поляризации оптического излучения для опроса датчиков [2].
Чаще всего на практике создают измерительные системы, включающие в себя сразу несколько способов мультиплексирования, что позволяет увеличить плотность распределенных датчиков в пересчете на одно оптическое волокно (ОВ) [10, 25, 28].
В волоконно-оптических интерферометрических измерительных системах с удаленными датчиками применяются разные методы модуляции (демодуляции) оптической несущей, позволяющие опрашивать один чувствительный элемент или массив из нескольких [1, 2, 10]: оптическая несущая с модуляцией по фазе (англ. Phase generated carrier - PGC). В данном методе формируют оптическую несущую на частоте, в десятки и более раз превышающей частоту измеряемого воздействия [14, 29]. Если датчик является разбалансированным интерферометром, то оптическую несущую формируют с помощью частотной модуляции лазерного источника оптического излучения. При использовании согласованного интерферометра в одном из его плеч используют внешний фазовый модулятор.
Принципа работы и структура VCSEL
В работе [56] проводились измерения фазового шума лазера Lightwave Electronics model 120. Источник оптического излучения, работая в режиме постоянного излучения, выдавал оптическую мощность в 15 мВт, 3 мВт из которых вводилось в оптическое волокно. Излучение поступало в волоконный интерферометр Маха-Цендера с разбалансировкой длин плеч 80 метров, что эквивалентно разнице оптических путей в 120 метров с учетом показателя преломления оптического волокна. На выходе интерферометра располагались балансные ФПУ для подавления шума интенсивности лазера. Рабочая точка интерферометра устанавливалась в положение квадратуры с помощью пьезоэлектрического модулятора. Контраст интерференционной картины составил 0,9. Фазовый шум на частоте 1кГц составил 40 мкрад/Гц0,5, что соответствует частотному джиттеру в 16 Гц/Гц0,5. На рисунке 1.9 а изображена экспериментальная зависимость спектральной плотности фазового шума. График экспериментальной зависимости спектральной плотности шума интенсивности RIN в диапазоне частот от 0,1 Гц до 500кГц представлен на рисунке 1.9 б, характеризуется несколькими областями: область с зависимостью 1/f0,5, областью 1/f, ровный участок шума спонтанного излучения и резонансный пик из-за релаксационных колебаний в диапазоне частот 120-150 кГц.
В исследовании [57] более детально изучены фазовые шумы данного источника, дана оценка зависимости фазового шума от разбалансировки длин плеч интерферометра. Если разница длин плеч превышает 30-35 метров, то уровень спектральной плотности фазового шума резко возрастает на порядок с 2 до 20 мкрад/Гц0,5 на частоте 1кГц. При разнице длин плеч от 0 до 30 метров уровень фазового шума не изменяется, в этом диапазоне он определяется в основном белым шумом вследствие спонтанного излучения. При разнице в 35 метров и более уровень фазового шума растет линейно с ростом частоты, компонента 1/f начинает преобладать над спонтанным излучением. Данный лазер позволяет добиться хороших результатов по чувствительности интерферометрического датчика для интерферометров с рассогласованием до 30м, нет необходимости в точном подравнивании длин оптических волокон.
Шумовые спектральные зависимости Nd:YAG лазера: а) спектральная плотность фазового шума при разбалансировке интерферометра в 80 метров; б) относительный шум интенсивности RIN [56] Лазер на основе Nd:YAG обладает следующими недостатками [58]: большие габариты и вес, высокая цена, невозможность встраивания в печатную плату или в интегральное решение, длина волны 1319 нм не дает возможность использования современных эрбиевых волоконно-оптических усилителей EDFA, широко распространённых на длину волны 1550 нм – диапазон С в оптической связи. Поэтому разработка лазерного источника оптического излучения на длину волны 1550 нм, обладающего небольшими габаритами, оптической мощностью несколько сотен мВт и уровнем шума, сопоставимым с Nd:YAG лазерами является важной задачей [1, 54, 58]. Параллельно исследованию твердотельных лазеров велись исследования возможности применения полупроводниковых лазерных источников оптического излучения [1, 54]. Полупроводниковые лазеры имеют некоторые преимущества над твердотельными лазерами: низкая стоимость, небольшие габариты, возможность прямой частотной модуляции с использованием тока накачки, возможность интеграции, излучение в диапазоне 1550 нм. В работах [51–53, 56, 59–61] подробно исследуется и сравнивается полупроводниковые лазерные диоды различных структур с твердотельными лазерами. Широко использовался в ВОИД полупроводниковый лазерный Hitachi HLP 1400 на длину волны 830 нм. Является относительно низкошумящим источником оптического излучения, джиттер спектральной линии составляет 10-20 кГц/Гц0,5 на 1кГц. Уровень фазового шума в интерферометре Маха-Цендера с разбалансировкой длин плеч в 1 метр составляет 1000 мкрад/Гц0,5 на частоте 1 кГц и 100 мкрад/Гц0,5 на частоте 100 кГц. В целом шумовые параметры на 3 порядка хуже, чем параметры твердотельных лазеров на основе Nd:YAG [56].
Полупроводниковые лазеры широко представлены в диапазоне длин волн 1550 нм. Такие лазерные структуры как DFB-laser (distributed feedback laser - РОС-лазер, лазер с распределенной обратной связью) и DBR-laser (distributed Bragg reflector laser - РБО-лазер, лазер с распределенным брэгговским отражателем) активно разрабатываются и находят применение в ВОИД. Данные типы лазеров являются компактными и могут выполняться в корпусах типа ТО и типа Butterfly, с термостабилизацией на элементе Пельтье.
В работах [36, 37, 58] сравниваются несколько типов лазеров, представленных на рынке в свободной продаже: волоконные лазеры с узкой полосой спектральной линии, твердотельные лазеры на основе Nd:YAG, полупроводниковые DFB лазеры и полупроводниковые лазеры с внешним резонатором. Проводится оценка по основным характеристикам: уровень фазового шума, цена и доступность, оптическая мощность, способ прямой частотной модуляции, возможность встраивания в измерительную систему или на печатную плату. Измерительной установкой выступает интерферометр Маха-Цендера ФПУ Optiphase V600, мощность на ФПУ ограничивается с помощью аттенюатора до 1 мВт, сигнал с ФПУ поступает на электронный спектроанализатор HP 89410A.
Реализация частотно-импульсной модуляции VCSEL
В работах [29, 36, 37] одним из требований, выдвигаемых к источнику оптического излучения для волоконно-оптической интерферометрии, является возможность прямой частотной модуляции по току. Коэффициент преобразования изменения тока в изменения частоты для различных лазерных структур заметно отличается, но попадает в диапазон от 1 ГГц/мА до 10 ГГц/мА.
На основе описанного эффекта в ВОИД применяется метод непрерывной частотной модуляции (Frequency-Modulated Continuous-Wave, FMCW) [81, 82]. Принцип работы данного метода заключается в следующем. Лазерный диод излучает в непрерывном режиме, к току смещения добавляется небольшой переменный гармонический сигнал (синусоидальный, пилообразный и др.), обеспечивающий модуляцию частоты лазера. Оптическое излучение лазера запускается в разбалансированный интерферометр, в котором 2 плеча имеют разные длины, где делится на две части, каждая из которых проходит по своему собственному пути. Затем они сводятся и интерферируют. Разбалансированный интерферометр выступает преобразователем изменения частоты лазера в изменение разности фаз интерферирующих импульсов. В интерференционном сигнале будет присутствовать частотная компонента, соответствующая частоте модуляции лазерного диода.
Анализ литературы показал, что на сегодняшний день существует большое разнообразие различных конфигураций измерительных систем на базе волоконно-оптических интерферометров. Важными задачами при разработке таких систем являются: выбор лазерного источника оптического излучения, анализ шумов измерительной системы и выбор способа модуляции оптической несущей.
На основании рассмотренных в главе статей [1, 36, 58], основным источником шума является источник оптического излучения, который генерирует шум интенсивности – нестабильность выходной оптической мощности, и фазовый шум – нестабильность генерируемой частоты. Для борьбы с шумом существуют как методы компенсации с помощью дополнительных оптических схем, так и использование волоконно-оптических интерферометров с согласованными плечами.
Проблема выбора недорого источника оптического излучения с возможностью прямой модуляции током для малогабаритных волоконно-оптических измерительных систем является актуальной. Основными источниками оптического излучения для опроса волоконно-оптических датчиков являются: твердотельные лазеры, узкополосные волоконные лазеры и полупроводниковые лазеры с внешней ВБР. Перечисленные источники оптического излучения обладают выходной оптической мощностью от нескольких десятков мВт до нескольких сотен мВт, стабильным спектром и низким уровнем фазовых и амплитудных шумов. Так же данные источники предоставляют возможность прямой частотной модуляции посредством изменения тока накачки или с использованием пьезокерамических модуляторов.
Формирование оптических импульсов для измерительных систем с временным разделением каналов и систем на основе ВБР является приоритетной задачей, которая на сегодняшний день решается с помощью дорогостоящих двухкаскадных электрооптических модуляторов, требующих дополнительных электронные блоки управления и имеющие оптические потери порядка 6-8 дБ. Существует ряд областей, где отсутствует необходимость опроса большого массива ЧЭ. В данных системах является неприемлемым и экономически неэффективным применение сложных оптических схем и дорогостоящих активных компонентов. Таким образом, для массового распространения и внедрения волоконно-оптических интерферометрических измерительных систем требуется малогабаритный источник оптического излучения с возможностью прямой частотной модуляции и формирования оптических импульсов без внешних модуляторов, что позволит упростить оптическую схему и снизить стоимость устройства.
В последнее десятилетие происходит активное развитие такого направления оптоэлектроники, как полупроводниковые поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором. Лазеры такого типа обладают рядом преимуществ: небольшие токи модуляции, возможность прямого формирования импульсов и частотной модуляции, диапазон длин волн 1,55 мкм, малые габариты и невысокая цена, которые позволяют рассматривать их в качестве источников оптического излучения для волоконно-оптических датчиков. Актуальной проблемой является формирование требований и создание технических решений для построения волоконно-оптических интерферометрических измерительных системы на основе VCSEL. Решение ряда задач: исследование общих, спектральных, частотно-динамических и шумовых параметров VCSEL, исследование возможностей прямой модуляции VCSEL током с целью одновременного формирования оптических импульсов и фазовой модуляции без использования внешних модуляторов приведет к решению данного вопроса.
Метод интерферометрии на основе частотно-импульсной модуляции VCSEL
Как было рассмотрено в главе 1, прямая частотная модуляция источника оптического излучения: модуляция током полупроводниковых лазерных диодов [78–82] или волоконных лазеров, а также твердотельных лазеров с помощью пьезокерамического элемента [2, 36, 58, 67], является одним из требований систем ВОИД. Существует проблема для систем на основе ВБР и систем с временным разделением каналов – необходимость формирования оптических импульсов заданной длительности и периода следования. Традиционно для этих целей используется внешний амплитудный электрооптический модулятор [1, 6] , преимущества и недостатки которых были изложены в главе 1. Рассмотренные ранее эффекты изменения центральной длины волны VCSEL из-за нагрева и охлаждения в процессе пропускания электрического импульса могут быть использованы для формирования оптических импульсов с изменяющейся частотой без использования внешних модуляторов.
В результате пропускания токового импульса через VCSEL активная область кристалла разогревается, длина волны оптического излучения изменяется. Время нагревания - это время пропускания токового импульса, время охлаждения – временной интервал между соседними импульсами. Если время охлаждения до уровня, соответствующего температуре термостабилизации элемента Пельтье, превышает период следования импульсов, то начальная температура кристалла для импульса, следующего за ним будет больше. Следовательно, центральная длина волны оптического излучения следующего импульса будет больше. В противоположном случае, когда температура первого импульса больше температуры второго импульса, длина волны первого будет больше, чем второго.
Если на VCSEL подать последовательность электрических импульсов с одинаковым интервалом следования, но переменной длительности, изменение которой соответствует периодическому сигналу, то изменение центральной длины волны оптического излучения VCSEL будет соответствовать этому закону [А6]. Иными словами изменение центральной длины волны VCSEL будет происходить с помощью электрической широтно-импульсной модуляции, в которой период следования импульсов жестко задан. В разбалансированном интерферометре изменение длины волны (частоты) будет преобразовано в изменение фазы интерферометрического сигнала (выражение (3.3)), тем самым будет обеспечена одновременная фазовая и импульсная модуляция оптической несущей. Функция когерентности, исследуемого VCSEL, остаётся приемлемой для использования в волоконно-оптических интерферометрических измерительных системах при длительности импульса до 20 нм, что позволяет, изменяя длительность генерируемых оптических импульсов от 1 до 20 нс, при этом добиваться стабильного контраста интерференционной картины [А2,А12]. Жесткая привязка к фиксированному периоду следования импульсов обусловлена тем, что в реальных измерительных системах требуется дискретизация измеряемого сигнала с фиксированной частотой. Изменение же длительности импульса VCSEL повышает требования к полосе пропускания фотоприемного тракта и каскадов электронных усилителей, но не является серьезным ограничением для современной элементной базы электроники.
На основе временных функций нагрева и охлаждения VCSEL, которые были получены экспериментальным путем, можно найти функцию изменения длительности оптических импульсов во времени для заданной функции фазовой модуляции оптической несущей. Необходимой константой для этого решения является длина разбалансировки плеч интерферометра.
Требуемая частота модуляции оптической несущей составляет Fмод = 31,25 кГц, период модуляции Tмод = 32 мкс, среднее значение длительности импульса tимп = 10 нс, период следования импульсов T = 500 нс. Глубина фазовой модуляции 2.63 рад. На один период колебания частоты модуляции приходится 64 оптических импульса, таким образом разрешение модулятора по частоте составляет 6 бит. Длина разбалансировки компенсационного интерферометра и чувствительного элемента составляет 116 мм (разница оптических путей). Центральная длина волны оптического излучения составляет 1546 нм, что соответствует температуре термостабилизации 20 С.